耿振華 久元溦 汪瑜 張曉敏 林喆

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)在20 世紀(jì)70年代由國(guó)外率先開(kāi)始研究[1-4]，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展，恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)廣泛。例如，發(fā)光二極管（Light Emitting Diod，LED）是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，因而在應(yīng)用過(guò)程中需要使用恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，避免器件燒毀[5]。當(dāng)用在航天相機(jī)在軌高精度定標(biāo)時(shí)，LED 的控制精度和穩(wěn)定性對(duì)定標(biāo)品質(zhì)至關(guān)重要。恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以確保LED 的驅(qū)動(dòng)電流在額定范圍內(nèi)，具有較高的可靠性，同時(shí)可以保證各LED 亮度的一致性和穩(wěn)定性，從而有效提高定標(biāo)品質(zhì)[6]。

當(dāng)前，恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)多以集成恒流驅(qū)動(dòng)芯片為主，芯片多采用外接高壓三極管的電壓調(diào)整結(jié)構(gòu)以及基準(zhǔn)電壓源，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制峰值電流實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)控制[7-9]，或通過(guò)內(nèi)置延時(shí)電路設(shè)定電感電流的峰峰值，從而獲得恒定的平均電流[10-13]。這些恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)多應(yīng)用在民用領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)電流為幾毫安到幾十毫安級(jí)，精度在毫安級(jí)，且輸出電流為固定值，不可調(diào)節(jié)[14-16]。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的性能指標(biāo)（如精度、最大驅(qū)動(dòng)電流值、穩(wěn)定性等）要求越來(lái)越嚴(yán)格[17]。航天遙感中的可見(jiàn)光在軌定標(biāo)、激光器定標(biāo)等必須采用恒流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流多在1000mA 以上，且精度要求極高。遙感衛(wèi)星在定標(biāo)過(guò)程中使用的LED 負(fù)載，除了高精度和最大驅(qū)動(dòng)電流要求外，還要求驅(qū)動(dòng)電流可多檔位高分辨率調(diào)節(jié)。因此，本文提出一種高精度輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動(dòng)電路，最大驅(qū)動(dòng)輸出電流達(dá)到5A，全量程驅(qū)動(dòng)電流精度達(dá)到10μA，輸出調(diào)節(jié)分辨率為4096 檔位，以滿足星上定標(biāo)LED 的驅(qū)動(dòng)需求。

1 技術(shù)方案

恒流驅(qū)動(dòng)集成芯片弊端為驅(qū)動(dòng)能力弱，精度低，輸出電流不可調(diào)節(jié)，壽命短，可靠性低，且多數(shù)芯片為商用器件，無(wú)法應(yīng)用于在軌定標(biāo)[18-20]。同時(shí)，多數(shù)驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的恒流驅(qū)動(dòng)電路都以功率放大器為核心，弊端為精度低，穩(wěn)定性差，效率低。

應(yīng)用在星上定標(biāo)成像的譜段中心波長(zhǎng)為850nm 的LED（后文簡(jiǎn)稱(chēng)850nm LED），額定驅(qū)動(dòng)電流為1000mA，額定功耗為3.7W，驅(qū)動(dòng)電流精度要求優(yōu)于35μA，需實(shí)現(xiàn)100～1000mA 范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流多檔可調(diào)。由于驅(qū)動(dòng)電流需要達(dá)到1000mA，所以驅(qū)動(dòng)能力為100mA 量級(jí)的傳統(tǒng)恒流驅(qū)動(dòng)電路以及恒流驅(qū)動(dòng)芯片不能滿足要求。本方案選用驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的達(dá)林頓管FHD30E 為功率驅(qū)動(dòng)管，其最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)5A，三極管飽和導(dǎo)通電壓VCE可達(dá)20V。同時(shí)，達(dá)林頓管FHD30E 選擇TO-257 型封裝，可以有效提高散熱效率，增強(qiáng)電路可靠性[21]。另外，由于驅(qū)動(dòng)電流精度要求優(yōu)于35μA，所以精度在毫安量級(jí)的傳統(tǒng)恒流驅(qū)動(dòng)電路以及恒流驅(qū)動(dòng)芯片不能滿足要求，因此本方案基于比較器的工作原理，選用高增益低噪聲的運(yùn)算放大器OP470 為恒流驅(qū)動(dòng)電路的控制器件以提高電流控制精度[22-24]，其開(kāi)環(huán)增益達(dá)到1000V/mV，噪聲指標(biāo)達(dá)到由于需要在100～1000mA 范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流多檔可調(diào)，所以選用12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC121S101，從而實(shí)現(xiàn)4096 檔位的高分辨率調(diào)節(jié)[25]。

如圖1 所示，可調(diào)型恒流驅(qū)動(dòng)電路由電源轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、上位機(jī)和LED 組成。輸入電源經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為+5V 數(shù)字電、±15V 模擬電和LED 所需要的功率電。控制模塊通過(guò)接口芯片完成與上位機(jī)間遙控遙測(cè)的通訊，即接收電流檔位遙控指令，設(shè)置電流調(diào)節(jié)控制信號(hào)，并接收表征LED電流值的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前恒流驅(qū)動(dòng)電流值遙測(cè)量的上傳。驅(qū)動(dòng)模塊接收控制信號(hào)，經(jīng)DA 轉(zhuǎn)化為電流調(diào)節(jié)信號(hào)，通過(guò)比較器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管完成對(duì)LED 的恒流驅(qū)動(dòng)輸出。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊采集與LED 串聯(lián)的精密電阻的兩端電壓，信號(hào)放大后經(jīng)AD 采樣，作為反饋信號(hào)傳回控制模塊，完成閉環(huán)控制。

圖1 輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動(dòng)電路框圖Fig.1 The block diagram of output adjustable constant current drive circuits

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

如圖2 所示，控制模塊由FPGA最小系統(tǒng)構(gòu)成，包括晶振、復(fù)位看門(mén)狗、以及通訊電路和整形電路。

圖2 控制模塊組成Fig.2 The block diagram of the control module

上位機(jī)通過(guò)通訊電路，向FPGA 發(fā)送設(shè)置電流檔位的遙控指令，即電流調(diào)節(jié)信號(hào)對(duì)應(yīng)的碼值。FPGA 解析該指令，發(fā)送DA 控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形電路后作為驅(qū)動(dòng)模塊輸入信號(hào)，完成目標(biāo)電流值的設(shè)置。同時(shí)，F(xiàn)PGA 發(fā)送AD 控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊，控制AD 完成采樣電壓的采集，并將驅(qū)動(dòng)電流遙測(cè)量反饋至上位機(jī)?？刂颇K中的整形電路可增強(qiáng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，濾除信號(hào)毛刺。AD 芯片前端增加電壓鉗位二極管，保護(hù)AD 芯片，提高電路可靠性和安全性。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

如圖3 所示，驅(qū)動(dòng)模塊由整形電路、DA 轉(zhuǎn)換電路、比較器電路、金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、跟隨電路、AD 轉(zhuǎn)換電路組成。

若LED 的驅(qū)動(dòng)電流為Iout，精密采樣電阻和LED 串聯(lián)，則其電流值是相同的。若采樣電阻阻值為R，則采樣電阻兩端電壓Vcai=R×Iout。采樣電壓Vcai經(jīng)放大電路k倍放大后，輸入至比較器電路中的運(yùn)算放大器反向端。

驅(qū)動(dòng)模塊接收DA 控制信號(hào)，輸出電流調(diào)節(jié)信號(hào)Vset，并送至比較器電路中的運(yùn)算放大器同向端。輸出電流調(diào)節(jié)信號(hào)Vset與目標(biāo)電流值Iset的關(guān)系為

比較器對(duì)電流調(diào)節(jié)信號(hào)Vset和k倍放大后的電流采樣信號(hào)k×Vcai進(jìn)行比較，輸出作為驅(qū)動(dòng)電路中達(dá)林頓管的基極控制信號(hào)。根據(jù)比較器的工作原理，當(dāng)LED 的驅(qū)動(dòng)電流值Iout小于目標(biāo)電流值Iset，則k×Vcai小于Vset，比較器輸出從低變?yōu)楦?，達(dá)林頓管的基極電壓增大，流過(guò)其集電極和發(fā)射極之間的電流增大，則驅(qū)動(dòng)電流Iout增大。反之，當(dāng)LED 的驅(qū)動(dòng)電流值Iout大于目標(biāo)電流值Iset，即k×Vcai大于Vset，比較器輸出從高變?yōu)榈?，達(dá)林頓管的基極電壓減小，流過(guò)其集電極和發(fā)射極之間的電流減小，則驅(qū)動(dòng)電流Iout減小。綜上，比較器同向端電壓Vset和反向端電壓k×Vcai會(huì)一直維持相等的狀態(tài)，即

則LED 的驅(qū)動(dòng)電流Iout和目標(biāo)電流值Iset會(huì)保持相等，從而實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制。

圖3 驅(qū)動(dòng)模塊組成Fig.3 The lock diagram of the drive module

放大后的采樣電壓k×Vcai通過(guò)跟隨電路后傳至AD 輸入端，AD 輸出信號(hào)通過(guò)整形電路后作為控制模塊的輸入，完成LED 兩端電壓的采集，上位機(jī)即可通過(guò)該遙測(cè)量解算得LED 的實(shí)際電流值Iout。

為保證電流調(diào)節(jié)分辨率，這里選用12 位DA，實(shí)現(xiàn)4096 檔電流調(diào)節(jié)。選用高增益低噪聲的運(yùn)算放大器OP470 保證模擬閉環(huán)采樣控制的穩(wěn)定性和精度。驅(qū)動(dòng)芯片F(xiàn)HD30E 最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到5A。驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)模塊電路Fig.4 The circuit diagram of the drive module

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試方案如圖5 所示，在850nm LED 和采樣電阻的串行支路上串入6 位半電流表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電流Iout。采樣電阻R為0.1Ω，采樣電阻需選用精密電阻，且阻值盡量小，否則電阻分壓過(guò)大影響驅(qū)動(dòng)效率。根據(jù)采樣電阻兩端最大電壓值和AD 芯片的模擬量采集范圍，選定放大倍數(shù)k為44。則輸出電流調(diào)節(jié)信號(hào)Vset與目標(biāo)電流值Iset的關(guān)系為

圖5 測(cè)試方案Fig.5 The test plan

在850nm LED 的額定驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)進(jìn)行全量程測(cè)試，選取10個(gè)目標(biāo)電流值Iset，上位機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)的電流檔位遙控指令，監(jiān)測(cè)電流表顯示的驅(qū)動(dòng)電流Iout。共進(jìn)行了五組測(cè)試，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示：

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 The measured data

表1 數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計(jì)的高精度輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)850nm LED 額定范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電流多檔位可調(diào)，且全量程驅(qū)動(dòng)電流精度優(yōu)于10μA。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)星上定標(biāo)LED 的驅(qū)動(dòng)要求，給出了一種高精度輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動(dòng)電路，解決了高精度恒流驅(qū)動(dòng)的技術(shù)難點(diǎn)，全量程達(dá)到10μA 控制精度，并且驅(qū)動(dòng)輸出電流實(shí)現(xiàn)4096 檔位調(diào)節(jié)，滿足星上定標(biāo)源負(fù)載高分辨率變換電流檔位的需求。同時(shí)，該電路驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，最大輸出電流可達(dá)5A，彌補(bǔ)了現(xiàn)階段大多數(shù)恒流驅(qū)動(dòng)電路精度低、驅(qū)動(dòng)能力弱、不可調(diào)節(jié)等不足，是一種適合星上定標(biāo)源驅(qū)動(dòng)控制的理想選擇。